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本文并不會深入底層暫存器指令與硬體等內容，只是借此主題為后續記憶體管理章節作掃盲，并幫助各位對分層存盤體系有一個整體的把握，以及一個程式在這樣的存盤體系上，究竟是如何運行起來的，這些存盤器在這個程序又分別扮演了什么角色，
為什么設計了分層存盤體系
其實早在作業系統系列開篇的那篇文章中，我就簡單介紹過分層存盤體系（Memory Hierarchy），先來回顧下（這里我參考的是《現代作業系統 — 第三版》這本書，其他有些資料可能會劃分的更為細致，不過在理解本文的目的上，以下劃分已經足夠清晰了）：
各位不妨想一想，為什么需要設計出這樣一個分層的存盤體系來供計算機使用呢？
首先，有一個觀點不用多說，每個人都希望自己的計算機擁有這樣一個存盤器：它容量無限大，CPU 訪問它的速度無限快，并且能夠永久性的存盤資料（斷電不會丟失資料），而且價格不能太高昂，
But，遺憾的是，現階段的技術仍然滿足不了我們的幻想，
為此，經過多年的探索，人們提出了分層存盤體系的概念，把我們的幻想一個一個拆開對應到不同的存盤器上，
在這個體系中，計算機擁有若干 KB 超級快速、超級昂貴且易失性的暫存器；若干 MB 快速、昂貴且易失性的高速快取（cache）；若干 GB 的速度與價格都適中、且同樣易失性的記憶體；以及若干 TB 低速、廉價、非易失性的磁盤存盤；另外還有諸如磁帶等可移動的存盤裝置，
至于為什么這些存盤器的造價不同，那就和它們的成本、材料、制作工藝等息息相關了，暫存器超級快速且超級昂貴的原因就是它和 CPU 的制作材料是相同的，所以 CPU 訪問起來幾乎是沒有時延的，
另外，這里多提一嘴記憶體，關于記憶體的分類眾說紛紜，我覺得各位對記憶體的概念有大體的把握就行，不必過度死扣細節，
記憶體也經常被人們稱為主存和隨機訪問存盤器（Random Access Memory，RAM），還有我們上文說到記憶體是易失性的，其實這都不是絕對正確的，只不過是通俗的說法并且被大眾所認可，
現在許多計算機都已經在使用少量的非易失性隨機訪問存盤器，也就是只讀存盤器（Read Only Memory，ROM），它在工廠中就被編程完畢，然后再也不能被修改，ROM 速度快并且造價低廉，很多開發商都會把用于啟動計算機的引導加載模塊存放在 ROM 中，
裝入記憶體，讓程式跑起來
這里我先開門見山的總結一下記憶體和磁盤的區別，也方便大家更好的理解下面的例子，通俗來說，記憶體決定了你的計算機能夠同時流暢運行多少個應用程式，而磁盤決定了你的計算機能夠下載安裝多少個應用程式，
舉個例子，這里面涉及到一個很重要的概念，各位認真看哈：
比方說你的計算機上安裝了 WeChat，你雙擊了 WeChat 快捷方式，作業系統就會打開 WeChat 軟體，
那么，各位有沒有想過，在分層的存盤體系上，WeChat 或者各種應用程式在你的計算機上究竟是怎么跑起來的呢？這些存盤器在這個程序又分別扮演了什么角色呢？
首先，有一點你要明確，你安裝的 WeChat 軟體是保存在磁盤中的，軟體安裝的本質是什么？各位應該也都明白，就是將很多資料的集合存盤到磁盤上，
雙擊 WeChat 快捷方式，作業系統就會知道你要運行這個軟體，它會在磁盤中找到你安裝的 WeChat 軟體，將運行所需要的資料從磁盤中復制到記憶體里，注意這里！WeChat 不是直接磁盤中運行的，而是在記憶體中運行的，
至于原因，那當然是記憶體的讀寫速度比磁盤快得多，
所以，為了緩和磁盤之間的速度不匹配問題，程式執行前必須將硬碟上的資料復制到記憶體，CPU 才能夠著手處理，這個程序就叫作載入記憶體（Load into Memory），完成這個程序需要一個不可或缺的程式：載入器或者說加載器（Loader），
CPU 直接與記憶體進行互動，它會讀取記憶體中的資料進行處理，并將結果回傳并保存到記憶體，當然，如果你還需要將資料保存到磁盤，復制操作也會在記憶體和磁盤直接發生一次，
比如說，我們打開了某個 Word 檔案，并輸入了一些文字，雖然我們直觀看到的已經發生變化了，但是磁盤中存盤的檔案仍然沒有改變，它仍然是之前的資料，新增的文字只是暫時保存到了記憶體，只有我們手動保存了這篇檔案比如 Ctrl + s 才會將修改保存到磁盤中，
而由于記憶體是易失性的，也就是說斷電后資料就丟失了，所以如果你編輯完 Word 檔案忘記保存或者斷電導致關機了，那么你將永遠無法找回這些內容（悲劇 ??），
暫存器與高速快取去哪里了
讀到這里，各位肯定會有所困惑，上面不是說了還有高速快取嗎？還有暫存器嗎？它們不是也用來存盤的嗎，在這個程序中它們去哪里了？
OK，從 CPU 的角度來說，記憶體是什么？就是一個笨逼，它僅僅是一個存放指令和資料的地方，計算機并不能在記憶體中完成計算功能，
若把 CPU 比作人類的靈魂，記憶體和磁盤就是人類的軀體，沒有了 CPU，記憶體和磁盤就淪為一具行尸走肉，當然，沒有了記憶體和磁盤也不行，畢竟 CPU 的存盤能力非常可憐，
比如說我們要計算 a = b + c，必須將變數 a、b、c 從記憶體中讀取到 CPU 內部才能進行加法運算，而在 CPU 中執行運算作業的部件，就是運算單元，可以說運算單元就是 CPU 的大腦，
我們不妨來看一下 CPU 的結構：
可以看出，暫存器（Register）和高速快取都直接內嵌在 CPU 中，
先說暫存器，其造價高昂且容量有限，功能涵括數學運算、控制程式的執行流程、標記 CPU 運行狀態等，
有些同學可能認為暫存器就是一個部件，其實不然，現代的 CPU 基本都內置了幾十個甚至上百個暫存器，根據功能的不同，這些暫存器也擁有不同的名字，
例如，EAX 暫存器通常被用在加法運算中，用來保存某個加數或運算結果；EIP 暫存器中存盤的值是下一條指令的地址，CPU 執行完當前指令后，就會根據 EIP 的值去尋找下一條指令，也就是說如果我們改變 EIP 暫存器的值，也就會相應的改變程式的執行流程，
另外，暫存器存放的是二進制資料，我們常常說 32 位或者 64 位的 CPU，其實指的就是暫存器的位數，
再來看快取，為啥 CPU 里面還要弄個快取呢？那當然還是離不開讀寫速度的問題，雖然 CPU 訪問記憶體的速度相比于磁盤來說已經足夠快了，But，真要和高速快取做個對比，那根本就不是一個數量級的，蚍蜉撼樹罷了，
如果 CPU 每次都從記憶體中讀取資料，會嚴重拖慢其運行速度，CPU 不得不浪費大量的時間來等待記憶體中資料操作的結束，為此，我們在 CPU 內部設定一個快取，將使用頻繁的資料暫時從記憶體中讀取到快取里來，這樣，如果快取命中，就直接從快取中讀取即可，不必訪問記憶體了，
所以很顯然，快取容量越大的 CPU 其性能就越好，當然，畢竟造價高昂，搞不起超大容量的快取，大小有限，所以對于快取中資料取舍的種種演算法又是一門值得深究的話題，
另外，快取的概念其實并不僅僅局限于此，只要存在大量的資源可以劃分成小的部分，那么，這些資源中的某些部分就會比其他部分更頻繁的得到使用，使用快取就可以帶來性能上的改善，在作業系統中，除了 CPU 中的快取，記憶體和硬碟之間其實也有快取的概念，也就是下面我們將要討論的虛擬記憶體，
虛擬記憶體和區域性原理
虛擬記憶體（Virtual Memory）、虛擬存盤器，這倆其實是一個東西，只不過網路上各種博客說法不一樣，沒有統一起來，容易讓萌新摸不著頭腦，
上文說的種種只是在運行一個 WeChat 程式的情況下，各位不妨想一下，如果你的電腦記憶體只有 4G，你同時運行了 WeChat、QQ、網易云音樂、Chrome 等等很多應用程式，假設它們加起來一共需要 5G 的記憶體空間，也就意味著需要從磁盤復制 5G 的資料到只有 4G 存盤空間的記憶體，顯然，這是不可能的，
為此，作業系統中引入了虛擬記憶體的概念，當程式運行需要的存盤空間大于記憶體的容量時，會將記憶體中暫時不用的資料寫回磁盤，當需要這些資料時再從磁盤中重新讀取，而記憶體中存放的資料也就是所謂的熱點資料，這樣，磁盤中就會有一部分空間用來存放記憶體中暫時不用的資料，這一部分空間就叫做虛擬記憶體，我們上面所說的情況就需要在磁盤上分配（5 - 4 = 1G）的虛擬記憶體，
這樣，虛擬記憶體中 "虛擬" 二字的含義也就不言而喻了，只有 4G 記憶體，但是可以正常運行占用記憶體超過 4G 的應用程式，在用戶看來他似乎擁有了一個比實際記憶體大得多的記憶體，當然，實際的物理記憶體大小并沒有發生改變，只是在邏輯上進行了擴充，
可以這么理解，引入虛擬記憶體的概念后，在記憶體和磁盤之間，記憶體就充當了快取的作用，CPU 優先從記憶體中獲取資料，如果命中，就不需要去訪問磁盤，這里和我們上文所說的 CPU 中的快取和記憶體之間的關系是不是一模一樣？
當然，我們為什么可以這樣做？這些資料為啥就能被調入快取/記憶體呢？虛擬記憶體存在的理論支撐是什么？這就是著名的區域性原理，區域性原理包含兩種，時間區域性和空間區域性：
1）時間區域性原理：如果 CPU 執行了程式中的某條指令，那么不久后這條指令很有可能再次執行；如果某個資料被訪問過，不久之后該資料很可能再次被訪問；
2）空間區域性原理：一旦程式訪問了某個存盤單元，在不久之后，其附近的存盤單元也很有可能被訪問，因為很多資料在記憶體中都是連續存放的，并且程式的指令也是順序地在記憶體中存放的，
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